三維GIS技術(shù)在輸電線路可視化展示平臺(tái)中的研究

楊珂++吳發(fā)獻(xiàn)++楊先進(jìn)++齊輝

摘 要：在國(guó)家電網(wǎng)的信息化飛速發(fā)展的帶領(lǐng)下，輸電線路需求的迅速增長(zhǎng)，三維GIS技術(shù)作為一種能夠更加真實(shí)的再現(xiàn)輸電線路及其相關(guān)附屬設(shè)備的顯示技術(shù)，在電力行業(yè)具有廣泛運(yùn)用。該文以輸電線路可視化展示平臺(tái)為例，研究如何利用現(xiàn)有的數(shù)字高程數(shù)據(jù)模型（DEM）及相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)海量三維地表模型的構(gòu)建和展示，并且通過(guò)建立數(shù)據(jù)中間層的方法將數(shù)字高程模型，輸電設(shè)備的三維模型及各類屬性信息有機(jī)結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)輸電線路可視化展示平臺(tái)的各類維護(hù)及查詢要求。

關(guān)鍵詞：輸電線路 三維GIS 三維模型

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（a）-0039-03

現(xiàn)今，電力系統(tǒng)的發(fā)展越來(lái)越高端，輸電線路電網(wǎng)也越來(lái)越繁密，電力設(shè)備的相關(guān)應(yīng)用也越來(lái)越復(fù)雜，但是為了促進(jìn)科學(xué)化管理，GIS技術(shù)在電力行業(yè)的大范圍發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用，特別是三維GIS這一關(guān)鍵技術(shù)。輸電線路的各種交叉與重疊等復(fù)雜狀況以及輸電線路是位于地理空間中的人為建物，其線路距離長(zhǎng)，通過(guò)地區(qū)地理環(huán)境較為復(fù)雜，與其他電力線路和通信線路有交叉跨越，并且會(huì)通過(guò)一些其他的特殊區(qū)域。輸電線路桿塔的位置與其所在的地理位置有著密切關(guān)系。為了更加直觀展現(xiàn)出輸電線路的全貌二維GIS的應(yīng)用已經(jīng)不能滿足需求了，這種情況下二維GIS的發(fā)展受到了限制，而三維GIS卻能夠明確直觀表達(dá)與再現(xiàn)。該文通過(guò)運(yùn)用三維GIS技術(shù)，結(jié)合模式設(shè)計(jì)方法，提出了一種構(gòu)建三維輸電線路GIS系統(tǒng)的方法，并在實(shí)際的工程中得到了實(shí)現(xiàn)。

1 三維GIS技術(shù)概述及其應(yīng)用現(xiàn)狀

三維GIS技術(shù)是GIS技術(shù)的一個(gè)新興的發(fā)展方向。三維GIS起源于二維GIS技術(shù)。由于人們所生活的環(huán)境是一個(gè)三維空間，二維GIS是簡(jiǎn)單將投影與二維平面的模型，其本質(zhì)就是抽象的符號(hào)化系統(tǒng)。在描述人們所生活的空間中存在缺陷。恰好三維GIS克服了這一缺陷。其以立體的展現(xiàn)形式技術(shù)給體驗(yàn)者展現(xiàn)真實(shí)的地理空間現(xiàn)象，能夠清晰表達(dá)空間對(duì)象的平面關(guān)系。對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維空間分析、操作也是三維GIS特有的功能。三維GIS技術(shù)的出現(xiàn)將GIS技術(shù)推向了一個(gè)新的高度，應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣泛。從三維GIS技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)角度來(lái)看，目前三維GIS技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾種趨勢(shì)。

（1）應(yīng)用范圍從三維可視化領(lǐng)域向三維地理信息展示發(fā)展。這一特點(diǎn)與二維GIS管理一樣，都是從可視化角度出發(fā)，其目的是將地理數(shù)據(jù)變?yōu)榭梢?jiàn)的地理信息。

（2）管理模式從分散數(shù)據(jù)庫(kù)向系統(tǒng)集成拓展。三維GIS存儲(chǔ)與管理海量的空間信息和屬性信息，基于分散的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理，將三維可視化與三維空間對(duì)象相耦合，從而形成系統(tǒng)集成。

目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟完整的三維GIS平臺(tái)，與三維GIS技術(shù)相關(guān)的系統(tǒng)大多數(shù)集中在可視化方面。

2 三維GIS技術(shù)在輸電線路展示平臺(tái)中應(yīng)用到的主要技術(shù)

在輸電線路展示平臺(tái)中三維GIS技術(shù)的應(yīng)用還需要結(jié)合相應(yīng)的電力通訊技術(shù)、全景可視化技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)。正是因?yàn)檫@些技術(shù)的綜合性應(yīng)用，才使得三維GIS技術(shù)中的某些關(guān)鍵技術(shù)得到可靠應(yīng)用。其中主要的技術(shù)有：空間索引與數(shù)據(jù)組織、多源化的數(shù)據(jù)庫(kù)集成與管理、海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)、影像金字塔技術(shù)等。具體闡述如以下幾點(diǎn)。

2.1 空間索引和數(shù)據(jù)組織

由于輸電線路所處的空間、地質(zhì)、地貌環(huán)境不同，所以輸電線路的分配也是不同的。

采用靈活的三角網(wǎng)在地理建物的展示中顯得尤為重要。采用這樣的三角網(wǎng)可以更加方便快捷的建立所需目標(biāo)模型，也可以按照一定的比例在復(fù)雜的地形下架設(shè)輸電線路。

2.2 多元化的數(shù)據(jù)庫(kù)集成與管理

在三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)里的集合圖形與影像數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)通常是需要很多字節(jié)的，但是數(shù)據(jù)的字節(jié)越多就會(huì)造成數(shù)據(jù)量的龐大，因此，這就需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化。在三維GIS技術(shù)里面數(shù)據(jù)的管理是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理主要分為兩個(gè)方面的管理，分別為空間數(shù)據(jù)庫(kù)和ORACALE數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐結(jié)果表明，限制海量三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)的因素主要有兩大方面，分別是幾何數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)的龐大、地物數(shù)據(jù)種類繁多。根據(jù)這種技術(shù)的限制因素來(lái)講，這種技術(shù)主要運(yùn)用有三個(gè)方面以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)三維漫游。

（1）多級(jí)紋理交換技術(shù)。

紋理貼圖對(duì)于三維場(chǎng)景的真實(shí)重現(xiàn)起著舉足輕重的作用。正射影像、房屋墻壁等都是使用紋理貼圖實(shí)現(xiàn)的。一般來(lái)說(shuō)，在三維場(chǎng)景中，紋理圖像的數(shù)據(jù)要占該場(chǎng)景所有數(shù)據(jù)量的90%甚至更多，如果解決好了紋理數(shù)據(jù)的問(wèn)題，海量數(shù)據(jù)場(chǎng)景的管理和漫游問(wèn)題也就迎刃而解。為了解決以上問(wèn)題，采用“多級(jí)紋理交換”技術(shù)。該技術(shù)主導(dǎo)思想如下：①將場(chǎng)景中使用到的紋理拼合成為大小一致的紋理塊；②為每塊紋理生成5個(gè)細(xì)節(jié)等級(jí)的紋理，分別為0、1、2、3、4，其中1級(jí)紋理通過(guò)0級(jí)紋理1/4壓縮得到，2級(jí)紋理通過(guò)1級(jí)紋理1/4壓縮得到，……，依次類推；③在顯示每個(gè)物體之前，計(jì)算該物體最終在屏幕上成像的大小，并以此決定該使用那一級(jí)的紋理；④在內(nèi)存中建立紋理緩沖池，使用LRU算法進(jìn)行紋理塊的調(diào)度，確保使用頻率高的紋理調(diào)度次數(shù)盡可能少。

（2）多級(jí)幾何模型技術(shù)。

大范圍三維場(chǎng)景包含眾多的頂點(diǎn)、頂點(diǎn)索引、三角形等幾何信息，一個(gè)50 km×50 km、間距為10 m的DEM，僅網(wǎng)格點(diǎn)就要占據(jù)600M的空間。如此大的數(shù)據(jù)量，如果不作任何優(yōu)化，任何3D加速卡都無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染，更不用說(shuō)高速漫游。LOD（多級(jí)幾何模型技術(shù)）正是為了解決這一問(wèn)題而出現(xiàn)的算法。LOD的核心思想如以下幾點(diǎn)。

①將DEM分塊；②對(duì)于每塊DEM，根據(jù)不同的閾值，抽取其中的關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)造三角網(wǎng)以生成不同細(xì)節(jié)等級(jí)（LOD）的幾何模型；③DEM邊界上，各個(gè)細(xì)節(jié)等級(jí)的幾何模型使用相同的邊界信息；④在渲染的時(shí)候，根據(jù)DEM塊與視點(diǎn)的距離確定應(yīng)該使用哪一個(gè)細(xì)節(jié)等級(jí)的幾何模型。

（3）數(shù)據(jù)分塊管理技術(shù)。

大范圍場(chǎng)景的三維模型包含很多地物，對(duì)場(chǎng)景中的所有地物進(jìn)行碰撞檢測(cè)、紋理調(diào)度等操作需要耗費(fèi)大量時(shí)間，給提高場(chǎng)景漫游速度造成了障礙。解決該問(wèn)題的途徑之一是對(duì)地物（包括地表數(shù)據(jù)）進(jìn)行分塊，每塊自成一體，碰撞檢測(cè)等耗費(fèi)CPU時(shí)間較多的操作均以“塊”為單位進(jìn)行，這樣可以極大提高程序執(zhí)行效率。

2.4 影像金字塔技術(shù)

影像金字塔技術(shù)指的是在保持影像數(shù)據(jù)質(zhì)量毫發(fā)無(wú)損的前提下實(shí)現(xiàn)影像快捷提取與顯示，影像金字塔技術(shù)有壓縮無(wú)損壓縮和非壓縮兩種方案并同時(shí)支持文件和數(shù)據(jù)庫(kù)兩種存儲(chǔ)方式。通過(guò)影像金字塔技術(shù)多幅影像可以拼接成一個(gè)連續(xù)、無(wú)縫和無(wú)損的海量影像層。金字塔技術(shù)的基本原理是將d維數(shù)據(jù)空間分割為2d個(gè)金字塔的集合，并提供了d維數(shù)據(jù)點(diǎn)到1維金字塔值的一一映射。這些值通過(guò)一種有序的一維索引結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和訪問(wèn)。

金字塔方法分割空間數(shù)據(jù)分為兩步：第一步，將數(shù)據(jù)空間劃分為2d個(gè)金字塔，這些金字塔以數(shù)據(jù)空間的中心（0.5，0.5，…，0.5）為頂點(diǎn)，以數(shù)據(jù)空間的（d-1）維表面作為基座。第二步，每個(gè)金字塔劃分多個(gè)平行于基座的部分，每個(gè)部分對(duì)應(yīng)于B+樹(shù)的一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。

3 三維GIS技術(shù)在輸電線路展示平臺(tái)中的應(yīng)用

3.1 模型間無(wú)縫連接

隨著三維GIS技術(shù)研究的不斷深入和實(shí)踐工作的不斷深入，三維GIS技術(shù)在電力行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在電力行業(yè)中最典型的應(yīng)用就是對(duì)輸電線路的三維場(chǎng)景建模，主要針對(duì)地物和設(shè)備，例如：建筑物、輸電桿塔、樹(shù)木、絕緣子等其他電力設(shè)備，三維GIS技術(shù)比較關(guān)注的是建筑物的外部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，而不是內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)楫吘故菫榱耸怯脩舾诱鎸?shí)的再現(xiàn)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)景。因此，選用CGS（結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何法）模型類對(duì)地面模型進(jìn)行描述。（如圖1）

由于地形形態(tài)是一個(gè)連續(xù)的空間層面的曲面，而非人們所說(shuō)的平面，因此，如果不對(duì)CGS模型進(jìn)行任何處理，建筑物底面與地形表面處相交的部分就會(huì)存在裂縫，會(huì)影響整個(gè)平臺(tái)的可視化效果，看起來(lái)不真實(shí)，進(jìn)而影響空間分析。由于TIN可以以不同層次的分辨率來(lái)描述地形表面，對(duì)于粗糙不平底面的描述極具有優(yōu)勢(shì)，根據(jù)實(shí)踐的要求，可以將TIN模型與CGS模型結(jié)合使用，從而實(shí)現(xiàn)模型間的無(wú)縫連接。

3.2 三維場(chǎng)景的顯示、查詢和空間分析

利用三維GIS技術(shù)強(qiáng)大的空間檢索與分析功能為輸電線路展示平臺(tái)提供了有力的技術(shù)可行性支持。

顯示功能支持實(shí)現(xiàn)：可以顯示整個(gè)三維場(chǎng)景并且可以在其中進(jìn)行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)以及飛行瀏覽等操作，顯示整條輸電線路包括導(dǎo)線、桿塔模型、絕緣子并且可以直觀顯示出線路的耐張段情況，可以沿著線路進(jìn)行飛行模擬直觀展示線路的交叉跨越情況。

查詢功能支持實(shí)現(xiàn)：在三維場(chǎng)景中可以快速查詢?nèi)我粭l線路及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，包括線路的電壓等級(jí)、回路數(shù)、導(dǎo)線型號(hào)、桿塔的空間位置、絕緣子、金具等設(shè)備的信息。

空間分析功能支持實(shí)現(xiàn)：淹沒(méi)分析，土石方體積計(jì)算、兩點(diǎn)通視分析、弧垂分析等功能。

4 影響三維GIS技術(shù)發(fā)展的因素

影像三維GIS技術(shù)發(fā)展的因素分為促進(jìn)與抑制兩個(gè)方面。

（1）促進(jìn)發(fā)展的因素有以下幾點(diǎn)。

①二維GIS技術(shù)已經(jīng)擁有比較成熟的理論與技術(shù)，而且應(yīng)用到各行各業(yè)各領(lǐng)域。

②計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的成熟與發(fā)展。為三維GIS技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

③空間數(shù)據(jù)庫(kù)與面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段。

（2）抑制發(fā)展的因素有以下幾點(diǎn)。

①由于遙感，數(shù)字測(cè)量技術(shù)發(fā)展的局限，三維GIS地理數(shù)據(jù)的廉價(jià)獲取還相當(dāng)困難。

②三維GIS技術(shù)所需要的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他系統(tǒng)，目前海量數(shù)據(jù)的處理技術(shù)還處于初級(jí)階段，這就對(duì)三維GIS技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了一定限制。

③三維GIS技術(shù)的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)，而三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的核心是數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維數(shù)據(jù)模型，在這方面缺少統(tǒng)一且權(quán)威的理論認(rèn)證。

④現(xiàn)階段空間分析還處于二維分析階段，并非真正實(shí)現(xiàn)了三維的控件分析，且處于起步階段，這也是三維GIS技術(shù)發(fā)展所面臨的問(wèn)題之一。

5 結(jié)論與展望

三維GIS技術(shù)和傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)三維地理信息系統(tǒng)是，它除了擁有空間信息的分析、處理和組織功能等地理信息系統(tǒng)基本功能外而且有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以直觀、真實(shí)反映事物的優(yōu)勢(shì)。輸電線路是電力系統(tǒng)重要的組成部分，具有明顯的地理特征等特點(diǎn)，因此，適合使用地理信息技術(shù)進(jìn)行管理。將三維GIS技術(shù)融合到輸電線路的管理中建立具有輸電線路特色的數(shù)據(jù)組織平臺(tái)不但解決二維地理信息系統(tǒng)無(wú)法解決一些輸電線路具有的特點(diǎn)，可為輸電線路的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維等工作提供良好的支持與服務(wù)。該文對(duì)三維GIS技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中所涉及到的幾種技術(shù)進(jìn)行闡述，發(fā)現(xiàn)這幾種技術(shù)對(duì)平臺(tái)所運(yùn)用到的數(shù)據(jù)具有一定的整理作用。綜上所述，三維GIS技術(shù)在輸電線路建設(shè)中的應(yīng)用，為輸電線路的管理、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)修建、擴(kuò)建與決策提供有力的信息支持。

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